[发明专利]一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法

摘要

本发明提供了一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法，属于数控机床热误差补偿技术领域。针对目前热误差补偿方法在机床热态启动时补偿效果变差的问题，本发明在热误差补偿过程中，以一定的周期记录进给轴和主轴的相关热特性数据。在补偿装置随机床启动时，补偿软件在启动初始化中根据关机时间判断为热态启动还是冷态启动。若为热态启动则根据关机时间及记录的热特性数据计算出进给轴和主轴当前的热状态，并将该热状态作为热误差模型计算的初始值。该策略的优点在于：解决了热误差补偿状态必须在机床冷态时启动的问题，提高了机床热启动时的补偿精度，增加了热误差补偿的适用情况。

主权项

1.一种机床开关机时热误差补偿系统的智能处理方法，其特征在于，步骤如下：第一步，记录实时补偿过程中的数据在实时补偿过程中对如下进给轴和主轴热状态数据进行记录；(1)根据进给轴热误差模型的需求，以周期为T_{f_save}，将如下数据保存到相应的文件中：(1.1)当前各进给轴丝杠温度场数据：在进给轴热误差模型中，将丝杠以一定长度离散化为若干段，每段丝杠内温度均匀；丝杠各段温度的集合就是丝杠的温度场；(1.2)当前各进给轴床身、前轴承座和后轴承座温度数据；(1.3)当前的系统时间；(2)根据主轴热误差模型的需求，以周期为T_{f_save}×10，将如下数据保存到相应的文件中：(2.1)当前时刻主轴热误差模型相关的温度值；(2.2)主轴当前时刻及前一时刻的热误差值；(2.3)当前的系统时间；第二步，读取进给轴记录的数据并进行判断在机床关机重启后，补偿系统在初始化时将读取记录文件中的数据；当机床下电时热误差实时补偿系统也随之立即断电，这有可能造成最后一次保存的数据不完整；因此在读取记录文件时，使用倒数第二次保存的数据；由当前系统时间和文件中记录的时间，计算出上次关机到此次开机的时间t_ss；根据进给轴的热特性，设置进给轴时间阈值t_f，当t_ss大于t_f时，判断进给轴为冷态启动；当t_ss小于等于t_f时则为热态启动；第三步，计算进给轴当前的热状态(1)当进给轴冷态启动时，认为整根丝杠温度均匀，且温度等于丝杠附近的床身温度，因此将床身温度确定为丝杠温度场的初始状态；(2)当进给轴热态启动时，整根丝杠的温度场可能不均匀，且高于丝杠附近的床身温度；因此在补偿系统启动初始化时，需要根据保存的数据和当前的各温度测点数据，应用进给轴热误差模型，离线地将关机过程中各时刻丝杠的温度场计算出来，计算公式如下：其中：为丝杠L_i段在t+Δt时刻的温度，为丝杠L_i段在t时刻的温度，λ为热传导系数，A为丝杠的截面积，为丝杠L_i‑1段在t时刻的温度，为丝杠L_i+1段在t时刻的温度，L为每段丝杠的长度，h为对流散热系数，S为丝杠L_i段与空气的换热面积，T_f(t)为t时刻与丝杠表面接触的空气温度，c为丝杠材料的比热容，m为每段丝杠的质量；将本次机床开机时刻的丝杠温度场作为进给轴热误差模型计算的初始状态；第四步，读取主轴记录的数据并进行判断根据主轴的热特性，设置主轴时间阈值t_sp，当t_ss大于t_sp时，判断主轴为冷态启动；当t_ss小于等于t_sp时则为热态启动；第五步，计算主轴当前的热状态(1)当主轴冷态启动时，认为主轴整体温度均匀，且等于床身温度；因此将主轴X、Y和Z方向的热误差初值赋为0；(2)当主轴热态启动时，主轴整体温度不均匀，且高于床身温度；因此在热误差补偿系统启动初始化时，需要根据保存的数据和当前的各温度测点数据，应用主轴热误差模型，离线地计算出关机过程中各时刻的主轴热误差，计算公式如下：E_i＝a₁×y_i                            (2)其中：E_i为当前时刻的主轴热误差值，a₁为系数，y_i为当前时刻一阶滞后响应处理值，其计算公式为：y_i＝y_i‑1+a₂×{a₃×(T_i‑1‑T_i‑2)+[(T_i‑T_i‑1)‑(T_i‑1‑T_i‑2)]/a₄‑y_i‑1}      (3)其中：y_i‑1为前一时刻一阶滞后响应处理值，a₂、a₃和a₄为系数，T_i、T_i‑1和T_i‑2为当前时刻、前一时刻和前两时刻主轴关键位置的温度值；将机床开机时刻的主轴热误差作为主轴热误差模型计算的初始值；结束初始化进入实施补偿。